试析能源利用发展趋势

【摘要】    能源在我们的身边无处不在，大到太阳的核聚变小到一根火柴的燃烧都是能源。我们的社会都是靠着源源不断的能源供给才得以发展至今。核能以及核物理方面技术的发展不及关系到一个国家的能源安全甚至可以上升到国家安全的层面。从1954年前苏联的第一座核电站建成至今，全球已有438座核电站，总发电容量为353千兆瓦，占全世界发电量的16%，累计运行时间已经超过1万堆年（1个堆年相当于核电站中的一个反应堆运行一年）。而且还在不断增加。这些都是其它新能源无法比拟的。

【关键字】    能源技术    核能    未来

能源在我們的身边无处不在，大到太阳的核聚变小到一根火柴的燃烧都是能源。我们的社会就是靠着源源不断的能源供给才得以发展至今，可问题是：能源是有限的，如何才能在有限的能源的基础上做到最高效的利用，这才是如今各国所面临的能源问题。这里仅从目前世界使用较为广泛的几种新型能源即太阳能、风能、生物质（木质生物质和非木质生物质）能与氢能、地热能、核能展开试论。

一、太阳能

太阳能是指太阳的热辐射能，其主要利用方式是通过太阳能光伏电池将其转化并储存为电能并加以利用。

太阳能光伏电池主要由两层或两层以上半导体材料组成，最主要的元素是硅元素，每当硅暴露在光线下时，其会产生自由电荷。自由电荷借由金属接触，从而产生直流电。但是由于单块光伏电池的发电量较小，所以常常将多块电池连接、封装，从而形成太阳能光伏面板。光伏面板是光伏发电系统的主要组成部件，通常将几块光伏面板连在一起，近而可以生产出预期的电量，模块化结构是其的重要优势之一。

虽然太阳能可以说是无污染的清洁能源，但不可否认其制造成本还是在利用过程中所要面临的问题。尽管光伏发电设备已经达到了批量生产的规模，并且制造成本较低，但是公共规模的光伏发电设备，其成本仍高于化石燃料和其他可再生能源（Tidball等人2010）大型光伏发电项目的成本一般为每瓦2.50-4美元（Barbose等人，2011），而电能的平均成本为每千瓦时为0.17美元。住宅光伏发电系统的成本会略高（没有政府的激励措），在美国大概为每瓦5美元，而在德国则为每瓦4美元（Barbose等人，2011）[1]。除去制造成本，还有其占地面积往往都是十分广阔并且还要有充足的日照时长和光照强度。这些不可控因素都影响了太阳能发电在全球范围内的广泛使用，尤其是在一些国土面积较小的国家。

综上所述，我认为太阳能虽然很有潜力但是在未来短期之内并不会成为各国能源技术的主流。

二、风能

风能的利用主要是通过将地表大量空气流动所产生的动能转化为电能。像我们在电视中常常看见的类似于风车的装置就是风力发电机。

风能的储量非常丰富，仅仅是全球陆地风电总潜能就大约占到了目前全球总发电量的三分之二，而且海上的风能潜力则更高。

虽然风能的潜力以及其成本很低的可再生能源十分吸引人，但是我们不能只考虑它带来的益处，风能只有在合适的风能和电网条件中才能与其他能源竞争（煤炭、石油和核能）。

目前在那些风电系统非常发达的国家，仍然有很多游说集团正在力图阻止在陆地上建立更多的风电系统。这事实上确实存在一些问题;最严重的是视觉效果和声问题。风电场的占地面积非常大，不可能进行遮挡大型风电场的可视距离很远。众多反对团体通常认为“风电确实很好，但就是不能安装在我的后院 ”。叶片旋转声又是最为严重的声问题，尤其是在风力发电机的安装期间，还存在一些临时的噪声、尘土和其他干扰等问题。

从风力发电角度来看，风电发展可能会减少鸟类的栖息地繁殖和捕食区域，此外虽然鸟类碰撞风力发电机叶片等问题不像建筑物或车辆那样发生的致命碰撞，但这类问题确实存在，只有风电场位于鸟类迁徙线路上时才会出现鸟类碰撞问题，因此应当避开这些区域。

最后，风力发电机在某些情况下会产生电子干扰，影响电视信号传输和讯通过在中继站安全距离之外选址等简单的补救措施可以缓解电子干扰问题。[2]

综上所述，我认为风电在未来短期之内还有很多有待解决的问题，所以其并不会成为主流。

三、生物质能与氢能

生物质能利用技术主要是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命的可以生长的有机物质来制取其它形式的能源。目前比较高效且前沿的就是利用生物质来制取氢能。

生物质热解是指将生物质燃料在0.1～0.5MP并隔绝空气的情况下加热到600-800K将生物质转化成为液体油，固体以及气体（H2，CO，CO2及CH4，等）产物，生物质气化制是利用生物质制氢最简洁，最经济的手段之一，它是通过部分氧化的形式，在800～900℃的温下，将生物质在气化炉中进行气化热解，得到富含氢的可燃气体并进行净化处理而获得产品气，生物质超临界水热法制氢利用水在临界点（374℃，22.1MPa）附近的特殊性质，可实现生物质的完全气化，并将水中的部分释放出来，产物中氢气的体积分数可以达到50%，并且不生成焦油，焦炭等杂质，对于含水量的湿生物质可直接气化，无需高能耗的干燥过程化学重整制氢是则以氧化还原反应原理为基础，以生物质为燃料、CaO为CO2载体，在两个反应器之间循环交替制取氢气[3]。

氢气能的主要用途是作为内燃机的燃料，燃烧使得气体膨胀带动活塞做功。氢气还可被用来和氧气结合用作火箭推进器的燃料。近期的氢燃料电池技术为氢气能的利用提供了一种全新的途径，由于氢气与氧气燃烧后的产物为水，从理论上来讲此过程并不会产生CO2还有其它有害的化学物质。所以氢燃料电池被广泛认为是零污染的清洁能源，其作为燃料的需求呈逐渐上升的趋势，随着市场需求的不断扩大与发展，其蕴藏着巨大的潜力。据有关报道，世界范围内氢气每年大约有5000万吨的交易量，并且其还保持每年近10%的增长率。

氢能作为一种理想的替代能源，可以替代许多种目前使用十分广泛的化石能源（煤、石油、天然气等），并能有效应用于内燃机和喷射发动机等机器。氢的规模制备和储存运输是氢能应用的所要面临的关键问题。目前，氢燃料电池技术非常规或特殊的氢气储存系统得到了广泛关注，一些支持氢气应用的新技术和新装备也应运而生。但是就目前的状况来看，虽然氢气能的前景十分光明，但是其发展道路上的问题仍然不容小觑。

其所面临的最大问题就是安全保障。众所周知，氢气是一种十分易燃易爆的气体，在空气中如果混入氢气体积达到总体积的4%～74.2%时，一旦遇到火源就会发生爆炸。尤其是在夏季高温的环境之中，储存和运输氢气更是难上加难。虽然目前我国目前已经实现的氢气的低气温储存和运输，并荣获科技部2017年度中國科学十大进展。但是这样的成本还是十分高，不如化石燃料更加经济实惠。

生物质能的利用同样面临很大的问题。用生物质来制取其它形式的能源首先需要的就是大面积的土地，这同样对于土地面积较小的国家来说是很大的负担。同时生物质的转化是一个漫长的过程如果在不借助大型设备的情况下其通常都需要数周甚至更长的时间。虽然利用大型设备会大大缩短转化时间，但是这样会使得成本大大提高。想要把成本赚回来，那又将是一个漫长的过程，此过程中还要承担相应的设备维修、人工费等额外费用。

综上所述，我认为通过生物质能来转化其它能源并加以利用的方式在未来短期之内并不会成为我们社会的主流。

四、地热能

地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并通过热能的形式存在。对于地热能的利用主要是地热供暖、地热发电等。在此以地热发电来展开。

地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，其基本原理和火力发电类似，都是利用蒸汽的热能推动汽轮发电机组发电，地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程，与传统火力发电不同，地热发电不需要消耗燃，没有庞大的锅炉设备，没有灰渣和烟气对环境的污染，是比较清洁的能源，针对可利用温度不同的地热资源，地热发电可分为地热蒸汽发电，地下热水发电，全流地热发电和地下热岩发电四种方式[4]。

地热能虽然在开凿地热井并且安装相应的设备之后就可以直接利用，而且成本也会非常之低相比于其它的能源利用，但是在建设的过程中还有很多问题忽视，一下从四个方面进行阐述。

第一，不同地热井的热水温度是变化的，九十多度，八十多度，七十多度甚至是五六十度都有用来供暖的，不像是我们常规锅炉供暖那样，热水95℃出，70℃回。因此，地热供暖不能简单地模仿常规锅炉供暖的方式，而是根据不同的地热井另行设计。

第二，地热水从地下抽出经供暖系统利用后随即排放，它并不能像锅炉供暖回水那样再返回锅炉。因此，为了达到最大经济效益的最大化，就要充分利用地热水的热能，供排水温度要尽量降低以此来提高地热利用率。

第三，由于开凿地热井的费用十分昂贵，所以为了充分利用地热能，应将地热水提供的热负荷作为基本负荷，以此满足初寒期和末寒期的负荷要求。对于严寒期热负荷不足的部分，可以在地热系统中配置相应的调峰热源（如锅炉、热泵等），专门在严寒期启动调峰，以此来补充负荷的不足问题，这样就可以使得锅炉调峰的时间较短，耗煤较少，而地热井所带的负荷却可以大大增加，达到充分利用地热能的目的。但是如何选取调峰热源？调峰负荷与基本负荷的比例多少最为合适？这些也是地热供暖不同于锅炉供暖之处。

第四，地热水一般都具有不同程度的腐蚀性，如果是直接进入供暖系统会腐蚀系统的金属管道或散热设备，这样会大大缩短系统的使用寿命，因此需要采用配有钛板的换热器的间接供暖系统或采用防腐耐热的非金属设施。所以建设不同地热井时要根据地热水的水质来采取相应的材料。

地热的利用还要面对环境污染的问题，先介绍几种主要污染形式。

热污染，在地热开发利用过程中，必然会向周围大气和水体排放大量的热量，使水体和空气的温度上升，影响环境和生物的生长和生存，破坏水体生态平衡。如果将温度较高的地热尾水排放到下水道等排污管道，还可能会造成细菌等各种微生物的大量繁殖，所以相关环保部门规定地热排水的水温不得高于35℃。

空气污染，在地热资源的开发利用过程中，热流体中所包含的各种气体和悬浮物将排入大气中，其中浓度较高，危害较大的有硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2）等，同时还有不凝气体少量地热流体中含有氨（NH3）的成分，它也会对人体和某些动植物造成潜在的危害。

综上所述，地热系统的开采和利用，如果管理不善，或不注意水污染防治，对于地下水及周围环境将存在着潜在的严重危害，所以我认为地热能也不会成为未来短期之内的能源主流。

五、核能

核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料 （ 核燃料 ） 进行裂变反 应所释放的裂变能。裂变反应指铀 -235、钚 -239、铀 -233 等重元素在 中子作用下分裂为两个碎片，同时放出中子和大量能量的过程。反应中， 可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。若这些中子除去消耗，至少有一个中子能引起另一个原子核裂变，使裂变自持地进行，则这种反应称为链式裂变反应。实现链式反应是核能发电的前提。[5]

提到核能，人们通常会想到一些非常严重的核事故，其中最具有代表性的相比就是上世纪八十年代的切尔诺贝利事故还有2011年的日本福岛县的福岛第一核电站事故。这两起事件都被国际事件分级表评为第七级事件的特大事故。所以在很多人的心中并不看好核能。但是我认为核能还是会在未来占据能源的主流。

核电站的占地面积相较于前面所提到的几种能源利用厂来说可谓是十分袖珍，一般来说一座核电站占地在两三千亩左右，而且随着科技的进步，核电站的大小也在不断地小型化。虽然核电站的选址比较特殊，一般都选在沿海地区并且离大城市相对较远的地方。但这也是为了安全考虑，如果不幸发生了核泄漏，那么沿海的区位优势会使得对也本国的污染降到最低。不像切尔诺贝利事故一样，有 4000多平方公里的土地被荒废，这对于一个国土面积十分有限的国家来说可谓是灭顶之灾。而且就目前的核事故调查结果来说，其发生的主要原因并不是设备因素，主要是人为操作不当或者是自然因素（如地震、海啸等）所造成的。所以总的来说，核电站的安全系数还是很高的。

以发电的效率来说，核电站也是遥遥领先于其它能源。太阳能发电还要考虑到夜间以及光照不足的时候;风力发电还要受约于无风或者是风力太微弱以至于还带不动发电机的情况;生物质能和地热能还要受制于生物质以及地热水资源枯竭的困境。反观核电站就不受此限制，例如对于一座 100 万千瓦压水堆核电站来说，每年大约需要补充 40 吨燃料，其中只消耗约 1.5 吨铀- 235，其余的尚可收回。而对一座 100 万千瓦烧煤的发电厂，每年致少消耗 2120000 吨标准煤，平均每天要有艘万吨轮，或三列 40 节车厢的火车运煤到发电厂。运输负担之沉重是可想而知的。所以核电站燃料的用量和运输于其它能源的相比是微不足道的。

记得有一部纪录片名叫《走进比尔》。它是从各个方面对微软创始人比尔盖茨进行采访。此纪录片一共有三集，其中有一集专门介绍了比尔盖茨以及其团队对于能源技术方面的研究，并且在这一集中用了相当大的篇幅来介绍他们团队对于新型核电站的研究。比尔的团队本来已经和中国核电集团签约要在我国建设这种新型核电站，但是最终由于美方认为此举有泄漏技术的原因而最终石沉大海。

就目前的核电站而言，其主要应用的技术是核裂变。核裂变会产生很多的核废料，它们对于环境的污染是十分严重，但是现在还有无数的核科学家正在为了更加清洁的核技术而不断努力，那就是核聚变技术。从理论上讲核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不会产生高辐射的核废料，当然也不产生温室气体，基本可以做到不污染环境。而且核裂变与核聚变技术还在一定程度上可以应用于军事方面，这样对于國家安全也是很大程度上的提升。

对于核技术的研究，也不仅仅用于发电与军事方面。同时也可以应用于宇宙的探索。比方说通过研究原子核的内部结构可以帮助人们对宇宙中的反物质、暗物质等进一步了解。

综上所述，在未来的能源技术发展方面我认为核能的发展潜力是其它能源在短期之内无法比拟的。核能以及核物理方面技术的发展不及关系到一个国家的能源安全甚至可以上升到国家安全的层面。从1954年前苏联的第一座核电站建成至今，全球已有438座核电站，总发电容量为353千兆瓦，占全世界发电量的16%，累计运行时间已经超过1万堆年（1个堆年相当于核电站中的一个反应堆运行一年）。而且还在不断增加。这些都是其它新能源难以在未来短期之内多达到的。

参考文献

[1] 索特里斯A·卡鲁赫罗.太阳能能源工程工艺与系统[M].北京：中国三峡出版社，2018. 496.

[2] 索特里斯A·卡鲁赫罗.太阳能能源工程工艺与系统[M].北京：中国三峡出版社，2018. 785-786.

[3] 袁振宏等.生物质能利用原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2016.330.

[4] 唐志伟等.地热能利用技术[M].北京：化学工业出版社，2017.236.

[5] 核能发电基本原理[J].中国三峡，2009，01：81.

王正旭（2001.1-  ） 性别：男  民族：汉族  籍贯：江苏省徐州市   学位：本科生 研究方向：能源  学历在读：华东理工大学能源与动力工程专业二年级在读本科生